应用于植入式医疗器械的低功耗控制器设计

周丁华，姜汉钧，王月娟，吕晓娟，王志华

1.火箭军总医院 a.肝胆外科；b.信息化研究办公室，北京 100088；2.清华大学 微电子研究所，北京 100084

应用于植入式医疗器械的低功耗控制器设计

周丁华1a，姜汉钧2，王月娟1b，吕晓娟1b，王志华2

1.火箭军总医院 a.肝胆外科；b.信息化研究办公室，北京 100088；2.清华大学 微电子研究所，北京 100084

目的为了满足植入式医疗设备（Implantable Medical Device，IMD）应用的特殊要求，设计一种用于植入式医疗器械的低功耗、高效、灵活的微控制器（Micro Controller Units，MCU）以最优化利用IMD的电池能量。方法基于对IMD主流技术分析，本研究通过对时钟控制、功率控制、指令设计改进和DMA数据路径优化等技术来优化设计基于0.18 μm CMOS技术标准的MCU。结果设计所得MCU芯片面积为1.4 mm×0.8 mm，芯片存储器具有79.1 K等效门和6.6 K字节片上内存。当供电为0.9 V的时候，功耗165 μW，在空闲状态时可降低到42 μW。结论实现了一个可远程编程的低功耗、高效率的MCU，使得IMD更加节能和灵活，可在疾病监测或治疗中更好地执行监控或刺激等功能。

植入式医疗器械；微控制器；传感器；低功耗；芯片

引言

随着生物医学工程的不断进步，植入式医疗器械被广泛应用于各种疾病的监测和治疗过程中，如胶囊式内窥镜、植入式心脏起搏器与除颤器、药物泵、心电记录仪等[1]。由于植入式医疗器械应用环境的特殊性，它不能使用任何电线、电缆等，通常被封装在小体积装置中并采用电池供电方式。而电池的寿命是有限的，因此，植入式医疗器械在低功耗、高效能方面要求非常高[2-5]。

为了最优化利用植入式医疗设备（Implantable Medical Device，IMD）的电池能量，IMD系统的所有模块的配合必须最佳化。在IMD系统中，中央微控制器通过软硬件任务分配，来控制所有子模块。由于收发机模块能耗较高，为了提高系统效率，不仅要求有能够执行好控制流和通讯流的微控制器（Micro Controller Units，MCU），还要有可以加速链接操作和减少能耗的硬件媒体访问控制器（MediaAccess Controller，MAC）。

1 IMD常用控制流

通常按照用途的不同，IMD可以分为两类[6-7]。一种是“监控”类：这些IMD通常连续收集身体信息作为生命体征。在数据/信息采集过程中的工作流程一般为：感应-处理-发送。另一种是“刺激”类：这些IMD通常提供生物电流脉冲刺激或者给药。其工作流程通常是：发送-分析-刺激。IMD常用控制流，见图1。一般情况下，我们在数据通信连接中采用半双工信道。

IMD基于各自的使用目的会采用不同的传感器设备。例如，用于采集心跳和心电图信息的单一铅电极，用温度传感的单一热敏电阻，测量电压的惠斯通电桥，测量葡萄糖和血液pH值的传感器，用于肠道检查的CMOS图像传感器等[8-9]。很多研究表明，采用不同传感器的IMD控制流几乎没有区别。

图1 IMD常用控制流

1.1 IMD的监控功能

IMD的监控控制流如图1a所示。有了此控制流IMD可以在基站（Basic Station，BS）的监控下实现感应-处理-通信-执行功能。远程基站也可以通过这种控制流配置IMD的状态和模式。

上行链路（从IMD～BS）是用于生物医学信息数据的传输，下行链路（从BS～IMD）是用于配置命令和确认（Acknowledgement，ACK）。正向偏差控制（Forward Error Correction，FEC）和自动重发请求（Automatic Repeat Request，ARQ）是用来确保通信的质量。

为降低能耗，感应阶段工作周期通常较短。根据功能设定不同，在数据处理阶段，IMD可将从感应阶段获取的数据计算或直接存储[10-11]。在通讯阶段，建立连接后可以实现存储器中数据的收发。

在这种控制流中，当触发了“唤醒”事件IMD可醒来。比如，来自计时器的时钟信号或者BS的远程信号等。

1.2 IMD的刺激功能

IMD的刺激控制流如图1b所示。在这种简化的控制流下，IMD在大部分时间内处于通道监听状态。当命令帧接受的时候，IMD回到工作状态，解析命令，并且当且仅当其有效时采取行动[12]。

在这种情况下，会优先选用下行链路，上行链路使用率较低。基于省电模式设置，IMD可以定期或随需展开工作。

在通讯阶段，IMD从外部接受命令；通过适当的指令解析命令帧；通过推动相应的输出驱动模块进行干预。

2 MCU设计与实现

本文提出的MCU结构，见图2。MCU包括一个基本的可兼容8051 MCU、MAC、无线领域项目仲裁（Wireless Field Program Arbiter，WFPA）、预处理加速器、DMA控制器、存储器、计时器、多用外围接口和调试接口等。

图2 MCU结构

2.1 优化

如前所述，IMD的最重要的要求是低功耗、高能效、灵活性和鲁棒性好。

执行监控功能的IMD要求具有周期性的工作模式，及相对繁忙的上行链路和空闲的下行链路有较高数据速率。执行刺激功能的IMD只要求下行链路接收脉冲刺激或者给药行为的参数。而这种不平衡可以通过一种自定义的MAC协议解决[13-14]。

图3 保留寄存器图示

系统通过块级和细粒度门技术来消除不活跃模块和DFFs的多余能耗，以降低能耗。

为了使程序代码更加紧凑，将内存访问加速指令添加到现有的指令集中，高效DMA控制器也提高了系统的能效，尤其是大规模数据传输和处理情况。此外，硬件MAC集成了信道编码、解码、加扰、时钟数据恢复（Clock Data Recovery，CDR）和框架控制。

通过WFPA模块，IMD可以在需要时通过BS随时进行远程重编。并且，多用途外围接口可以支持通用异步/同步接收器和发射器，像是SPI，I2C，RS-232[15-16]。

2.2 微控制器MCU

MCU核心有基本的可兼容8051指令集，这足以使适用于IMD星形拓扑结构单跳网络协议实现。因此该MCU采用一种通用的非流水线式的哈佛架构。

对于典型的IMD功能，在全部操作中内存操作超过40%。最常见操作的如下所示：

...

for(addr=0;addr＜tnum;addr++)

{tbuf=datamem[offset+addr];

While(TBUF_ALMOST_FULL);

}

...

编译后，汇编代码至少需要20个指令。此外，根据区块的不同，相应的二进制代码可以执行大约20*tnum个操作。

为提高代码长度和执行效率，我们将一些加速指令添加到指令集。这样在相同的存储器访问质量下，原来的20*tnum个操作可以减少到3个操作。

...

MOV DMADDR,offset

MOV DMANUM,tnum

DMAOP

对这些指令集的优化可以提高效率。

即使在IMD最大化省电模式下，保留寄存器也是必须的，以便MCU关机时保存设置和数据。这些寄存器直接由电池驱动，而MCU的其他的模块是DC-DC电源供电。一种典型的保留寄存器，见图3。

2.3 媒体访问控制器MAC

执行监控功能及刺激功能的IMD在以上分析过程中都有考虑到。MAC模块包含发射和接收两个独立的控制器，见图4。

图4 MAC的框图

Tx路径来实现数据帧和数据流，包括CRC、Reed-Solomon编码、白化等信道编码。Tx控制器用来设置/重置逻辑模块和启用/禁用射频前后端模块。

本文采用的CRC-24编码方式，其多项式为：

X24+X23+X18+X17+X14+X11+X10+X7+X6+X5+X4+X3+X+1。

一个心有主见的人，是不会被这样庸俗和肤浅的诱惑所俘虏的；相反，他一定具有自己的处世原则，并以这样的原则来严格约束自己。元代大学者许衡一日与众友出游，因为天气炎热，口渴难耐。正好路边有一棵梨树，果实已成熟，众人纷纷摘梨解渴，只有许衡一人不为所动。有人问他：“怎么不去摘一个梨子吃解解渴？”许衡回答说：“梨子不是自家的，怎么可以随便摘吃？”对方笑其迂腐：“路边之食，并无主人，摘吃一个又有何妨？”许衡的回答是：“梨虽无主，我心有主。”

RS（31,25）编码方式，5bits/符号，多项式基元是X5+ X2+1。

加扰（白化）是用于避免连续的0 s和1 s，多项式为X3+X2+1。

Rx路径首先实现时钟数据恢复CDR，然后同步比特和框架。去白化和CRC模块对应于Tx路径。对于IMD来说Rx链接和Tx链接不同：Rx不需要高速和大量处理数据，因此没有必要在链接中使用Rx编码，并且在Rx路径中不会出现RS译码器。

2.4 WFPA和DMA控制器

WFPA模块支持远程重编功能。对于IMD来说这是非常实用和必须的，因为：一旦IMD被植入体内就很难被取出，即便是它的软件需要更新的时候。WFPA支持远程在线配置和软件更新，适用于内存程序如E2PROM, FLASH等和特殊功能寄存器的重写SFP。

DMA控制器通过如下方式完成大规模数据访问：

（1）Tx数据路径进行数据通信，从数据存储器到射频MAC。

（2）Rx数据路径进行数据通信，从射频MAC到数据存储器。

（3）WFPA数据路径，从数据存储器到指令存储器。

数据路径示意图，见图5。用于远程更新的程序代码应该在前面的通信中存储在数据存储器中。一旦DMA控制器给WFPA分配了信道，WFPA可以通过数据存储器覆盖全部内存指令。每次MCU激活重新开始工作时CRC-8验证应该保证和恢复它所有的关键状态。

图5 具有WFPA和DMAC的数据通路

3 实验结果

本设计的MCU以标准0.18 μm CMOS工艺制作，芯片面积为1.4 mm×0.8 mm，芯片存储器具有79.1 K等效门和6.6 K字节片上内存，其中2.6 KB用于存储程序、4 KB用于存储数据，其模具图，见图6。

图6 制备的MCU模块模具图

通常在1.8 V DC-DC电压，13 MHz时钟，2.5 Mbps平均吞吐量的条件下按1:8的工作周期监控体温下消耗电流为510 μA。当供电为0.9 V的时候，功耗只有165 μW；在空闲状态时其功耗甚至可以降低到42 μW。验证用的外围传感器设备和射频模块工作正常。

将该模块组装入一个直径11 mm，长度26 mm的胶囊胃镜测试样机，见图7。在测试过程中，胶囊内窥镜样机被置于一个直径30 cm灌注了生理盐水的玻璃杯中，以模拟胶囊的实际工作环境。样机的主要性能参数测试结果，见表1。

图7 测试用胶囊内镜样机

表1 样机主要性能参数测试结果

4 结论

本文讨论通过指令优化和DMA信道等几个关键技术的优化来获得更紧凑的代码和更高效的操作，实现了一个可远程编程的低功耗，高效率的MCU。所得到的MCU使得IMD更加灵活，可以与普通I/O总线接口兼容，通过BS实现软件的远程更新。产品已经通过FPGA测试，其组装规模为79.1 K等效门数（存储器除外）。采用该MCU的胶囊内镜样机相比较于市场上主流的M2A，PillCam以及国内OMOM胶囊内窥镜在体积上都有不同程度的缩小[17]，为应用者在使用期间提供更高舒适性；双向通讯功能可以根据采集到的人体信息更改指令；工作时间从主流的8 h延长至11 h为使用者提供了更长的监测时间，以更好地执行监控和刺激这两项主要的功能。

本设计的MCU在降低能耗、减小产品体积方面有明显改进，但是，在针对患者个性化需求方面仍有局限性。IMD入体后无法明确定位，在体内的运动方式大多是被动式的，如胶囊内窥镜进入肠道后依靠肠道的蠕动前进，不能完成特定位置的拍摄等。面对上述挑战，医疗芯片的设计仍有很大研究和改进空间。

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Design of Low Power Consumption Controller Applied to Implantable Medical Device

ZHOU Ding-hua1a, JIANG Han-jun2, WANG Yue-juan1b, LV Xiao-juan1b, WANG Zhi-hua2
1.a.Department of Hepatobiliary; b.Infor-mation Research Office, General Hospital of the PLA Rocket Force, Beijing 100088, China; 2.Institute of Microelectronics, Tsinghua University, Beijing 100084, China

ObjectiveTo meet the special requirement of Implantable Medical Device (IMD), this study designed flexible Micro Control Units (MCU) of low-power consumption and high efficiency to achieve optimal use of battery power.MethodsBased on the analysis of IMD mainstream technology, the design of MCU based on 0.18 μm CMOS technical standard was optimized by clock gating, power gating, instruction set improvement, DMA optimization for data paths, etc.ResultsThe die area of the designed MCU was 1.4 mm×0.8 mm, and chip memory owned 79.1 K equivalent gates and 6.6 K on-chip memory. Given a 0.9 V power supply, MCU power consumption was 165 μW, and it could be reduced to 42 μW in idle state.ConclusionThe designed MCU can be remotely programmed with low power consumption and high efficiency, which makes the IMD more flexible and energy saving to well perform its monitoring or stimulating function during disease surveillance or treatment.

implantable medical device; micro controller units; sensor; low power consumption; chip

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.005

1674-1633(2017)03-0018-04

2016-06-03

2016-08-08

军队“十一五”杰出人才课题（06J003）；国家863计划资助项目（2008AA0107102)。

作者邮箱：zhoudh@sina.com